Frattura ed Integrità Strutturale

In the present work we present some results of numerical experiments obtained with a variationalmodel for quasi-static Griffith-type brittle fracture. Essentially the analysis is based on a recent formulation byFrancfort and Marigo the main difference being the fact that we rely on local rather than on globalminimization. Propagation of fracture is obtained by minimizing, in a step by step process, a form of energythat is the sum of bulk and interface terms. To solve the problem numerically we adopt discontinuous finiteelements based on variable meshes and search for the minima of the energy through descent methods. We use asort of mesh dependent relaxation of the interface energy to get out of small energy wells. The relaxationconsists in the adoption of a carefully tailored cohesive type interface energy, tending to the Griffith limit as themesh size tends to zero.

The aim of the present paper is to systematically investigate the accuracy of the so-called Modified Wöhler Curve Method (MWCM) in estimating high-cycle fatigue strength of plain and notched engineering materials damaged by in-service multiaxial load histories. In more detail, the MWCM, which is a bi-parametrical critical plane approach, postulates that initiation and Stage I propagation of fatigue cracks occur on those material planes experiencing the maximum shear stress amplitude (this being assumed to be always true independently from the degree of multiaxiality of the applied loading path). Further, the fatigue damage extent is hypothesised to depend also on the maximum stress perpendicular to the critical plane, the mean normal stress being corrected through the so-called mean stress sensitivity index (i.e., a material constant capable of quantifying the sensitivity of the assessed material to the presence of superimposed static stresses). In the present investigation, the overall accuracy of the MWCM in estimating high-cycle fatigue strength was checked through 704 endurance limits taken from the literature and generated, under multiaxial fatigue loading, by testing both plain and notched samples made of 71 different materials. Such a massive validation exercise allowed us to prove that the MWCM is highly accurate, resulting in 95% of the estimates falling within an error interval equal to ±15%.

Nel presente articolo viene proposta una nuova metodologia di progettazione a fatica, basata sull’utilizzo del metodo delle Curve di Wöhler Modificate, per la previsione della vita a fatica di giunzioni saldate, sia in acciaio che in alluminio, soggette a carichi multiassiali ad ampiezza variabile. In particolare, il criterio delle Curve di Wöhler Modificate è stato applicato determinando l’orientazione del piano critico mediante il Metodo della Massima Varianza, ovvero definendo il piano critico come quello contenente la direzione che sperimenta la massima varianza della tensione tangenziale risolta. L’accuratezza della metodologia di progettazione a fatica proposta nella presente memoria è stata valutata mediante due serie di dati sperimentali di letteratura ottenute sollecitando, sia ad ampiezza costante che variabile, giunti saldati tubo-piastra in acciaio e lega di alluminio con carichi di flesso/torsione in fase e sfasati di 90°. Il criterio delle Curve di Wöhler Modificate, applicato in concomitanza con il Metodo della Massima varianza, si è dimostrato capace di fornisce stime accurate della durata a fatica anche in presenza di sollecitazioni multiassiali ad ampiezza variabile, e questo sia quando applicato in termini di tensioni nominali che in termini di tensioni di “hot-spot”.

In this research, the effect of thermally expandable microcapsules (TEMs) on mode I fracture toughness of structural adhesives were investigated. The single-edge-notch bending (SENB) test was used. Firstly, a standard toughness test was performed on adhesives with microcapsules. Secondly, since TEMs start their expansion at approximately 60ºC, the next specimens were fatigue tested expecting a local heating in the notch leading to the desired expansion before being statically loaded for fracture toughness determination. Thirdly, a manual local heating at 90ºC was applied in the notch before the fracture static test. The experimental results were successfully cross-checked through a numerical analysis using the virtual crack closure technique (VCCT) based on linear elastic fracture mechanics (LEFM). The major conclusion is that fracture toughness of the modified adhesives increased as the mass fraction of the TEMs increased.

Il lavoro verifica l’applicabilità di un modello semplificato agli elementi finiti per l’analisi a collasso post elastico di strutture incollate complesse in parete sottile. Al fine di superare le limitazioni dei modelli di letteratura come l’uso di elementi speciali, il lavoro sfrutta un modello ridotto già presentato dagli autori in campo elastico. Tale modello è basato sulla rappresentazione degli aderendi mediante elementi semistrutturali (piastre o gusci) e dell’adesivo per mezzo di speciali elementi coesivi. La continuità strutturale tra aderendi e adesivo è ottenuta mediante vincoli interni (tied mesh) che accomunano i gradi di libertà dei nodi mutuamente affacciati di aderendi ed adesivo. La struttura analizzata è un simulacro di incollaggio industriale e produce nella strato adesivo una sollecitazione complessa, analizzabile solo con modelli numerici. Si considera una struttura tubolare in parete sottile a sezione quadrata, fatta di due spezzoni posti testa a testa e incollati con fazzoletti di lamiera sui quattro lati. La struttura è sottoposta a flessione a tre punti fino al cedimento e la zona incollata posta disassata rispetto al punto di applicazione del carico riceve una sollecitazione indiretta. I risultati dell’analisi FEM, confrontati direttamente con le curve sperimentali forza-spostamento, evidenziano una buona accuratezza del metodo, in termini di rigidezza, forza massima e comportamento post elastico della struttura, accompagnati da ridotte dimensioni del modello e tempi di calcolo molto contenuti. Grazie a questi vantaggi, la procedura si presta ad effettuare l’analisi di strutture incollate complesse, altrimenti ingestibili se affrontate con una modellazione agli elementi finiti tradizionale.

This work is aimed at reproducing numerically a campaign of experimental tests performed for the development of reinforced panels, typically found in aircraft fuselage. The bonded reinforcements can significantly reduce the rate of fatigue crack growth and increase the residual strength of the skin. The reinforcements are of two types: stringers and doublers. The former provides stiffening to the panel while the latter controls the crack growth between the stringers. The purpose of the study is to validate a numerical method of analysis that can predict the damage tolerance of these reinforced panels. Therefore, using a fracture mechanics approach, several models (different by the geometry and the types of reinforcement constraints) were simulated with the finite element solver ABAQUS. The bonding between skin and stiffener was taken either rigid or flexible due to the presence of adhesive. The possible rupture of the reinforcements was also considered. The stress intensity factor trend obtained numerically as a function of crack growth was used to determine the fatigue crack growth rate, obtaining a good approximation of the experimental crack propagation rate in the skin. Therefore, different solutions for improving the damage tolerance of aircraft reinforced panels can be virtually tested in this way before performing experiments.

Isotactic polybutene-1 (i-PB1) is a polymer used for the manufacturing of pressurized pipes. In this work two grades of i-PB1 with a different degree of isotacticity have been investigated; they have been supplied by Basell Polyolefins. Fracture tests have been performed at various temperatures and testing speeds. Two configurations have been used, single edge notch bending (SENB) and double cantilever beam (DCB), the latter only to study crack propagation. Optical methods have been used to detect crack initiation and measure propagation speed. From the phenomenological point of view, the formation of highly stretched material regions has been observed during crack propagation. A continuous tearing of these regions as the crack advances has often been interrupted by their sudden rupture, with the load decreasing accordingly. This partial instability has been observed on both material grades, with both testing configurations. Results of the tests have been interpreted using the fracture mechanics framework; a time-temperature superposition scheme has been adopted to represent viscoelastic behavior over several decades. An analytical model has been applied to predict the lifetime of pressurized pipes. A good agreement has been reported between model predictions and experimental data obtained from tests on polybutene pipes.

Il lavoro prende spunto dai risultati di un’analisi sperimentale del comportamento a fatica di giunzioni incollate di materiali compositi laminati di elevato spessore formati da strati di unidirezionale e di tessuto di fibra di carbonio. I giunti sono stati realizzati in modo tale da saggiare l’influenza della lunghezza di sovrapposizione (da 25,4 mm a 110,8 mm), della forma del giunto (con e senza rastremazione), e della composizione degli aderendi (sostituzione di uno degli aderendi in composito con uno in acciaio). Mediante analisi 2D elastiche con il metodo degli elementi finiti sono state ricavate le distribuzioni degli sforzi all’interno dello strato di adesivo, al fine di individuare un parametro utile alla descrizione del comportamento a fatica in termini di sforzi locali - numero di cicli a rottura. Il ruolo della fase di propagazione viene discusso alla luce di osservazioni dell’avanzamento della frattura, condotta su alcuni dei giunti testati.

Synchrotron light microtomography has proved to be particularly efficient in order to analyze the microstructural characteristics in terms of reinforce fibre distribution and orientation in glass fibre reinforced composites. The spatial distribution of fibre within the polymeric matrix could be detected even in case of fibre characterized by a small diameter (10 micrometers average diameter). Differences in orientation distribution within a sample could be measured using the Mean Intercept Length (MIL) and the fabric tensor. The results presented herein refer to a sample of a 30% by weight glass fibre reinforced polyamide 6, extracted form a thin plate.

Molti problemi della Meccanica e Fisica dei Solidi e della Scienza dei Materiali, non sonofacilmente risolvibili con gli approcci tradizionali. Oltre allo studio delle proprietà effettive dei solidi eterogenei,vi è la crescente necessità di incorporare un maggiore numero di informazioni sui meccanismi di deformazione edanneggiamento generati alla microscala, anche per i materiali abitualmente considerati omogenei.Micromeccanismi di cavitazione e concentrazioni locali di tensione e deformazione, sono indispensabili perspiegare fenomeni non-lineari come la rottura di fatica o il cedimento duttile, altrimenti non inquadrabili conapprocci classici di tensioni e deformazioni medie. La micromeccanica si occupa della determinazione precisa, odi una stima accurata, di grandezze di campo microstrutturali locali. In questo lavoro sono illustrati i princìpiche sono alla base dell’approccio micromeccanico, come i concetti di multiscala, di distribuzione statistica dellefasi, di descrizione mediante volumi di riferimento e di omogeneizzazione e localizzazione, e, attraverso alcuneapplicazioni pratiche delle principali tecniche di modellazione, sono illustrati e discussi criticamente i risultatidella ricerca effettuata su varie strutture di ghisa nodulare.

Le osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle superfici di fratturaottenute a seguito di rotture per fatica consentono di evidenziare alcuni meccanismi di avanzamento che dipendono dal materiale e dalla modalità di applicazione delle sollecitazioni. L'introduzione di moderne tecniche di analisi di immagine assistite al calcolatore permette di elaborare un numero di informazioni elevato che consente di porre in relazione le caratteristiche morfologiche locali con il comportamento meccanico macroscopico del materiale. In questo lavoro è stata implementata una tecnica innovativa di analisi di immagine basata sull'analisi della tessitura, valutando l'influenza delle condizioni di applicazione della sollecitazione (LlK applicato) sulla evoluzione del clivaggio rilevato sulle superfici di frattura a fatica di una ghisa sferoidale ferritoperlitica.

Il problema della valutazione della duttilità degli elementi in calcestruzzo armato soggetti a flessione o presso-flessione è stato largamente studiato negli ultimi decenni, sia da un punto di vista sperimentale che analitico. Data l’influenza di numerosi parametri di progetto sulla duttilità, tuttavia, è difficile sviluppare un modello in grado di descrivere completamente la risposta meccanica di elementi strutturali, tenendo conto di tutti gli effetti dovuti alla non-linearità dei materiali. Nel passato, in particolare, si è studiato in maniera approfondita l’effetto della classe di duttilità dell’acciaio, mentre il ruolo degli effetti di scala, evidenziato da più campagne sperimentali, non è stato ancora del tutto chiarito. Una delle ragioni principali è l’inadeguatezza dei modelli tradizionali, basati su leggi costitutive tra tensioni e deformazioni. Nel presente lavoro, si propone un nuovo modello basato sul concetto della localizzazione delle deformazioni, capace di descrivere la propagazione della fessura e l’avanzamento del crushing durante il processo di carico. In tale contesto, il comportamento non-lineare del calcestruzzo in compressione è modellato attraverso l’Overlapping Crack Model, modello analogo a quello coesivo valido per la trazione, che descrive la localizzazione delle deformazioni dovuta al danneggiamento del calcestruzzo mediante una compenetrazione del materiale. Con questo nuovo algoritmo è possibile cogliere l’effettiva risposta flessionale di elementi strutturali in calcestruzzo armato al variare della percentuale di armatura e della scala dimensionale. Applicazioni numeriche riguardano l’analisi della risposta post-picco di provini in calcestruzzo soggetti a compressione e la valutazione delle rotazioni plastiche di travi in calcestruzzo armato soggette a flessione su tre punti. Si propone infine un ampio confronto con i risultati di prove sperimentali, con lo scopo di dimostrare la validità del nuovo approccio.

Under the hypothesis of a perfectly brittle phenomenon, avalanche triggering can be investigated numerically by means of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). Since, however, the real phenomenon is intrinsically dynamical, another aspect to investigate is represented by dynamic fracture propagation. In this paper, we model dynamic crack propagation into a dry snow slab and we investigate the possibility to arrest the crack propagation through the presence of weak zones distributed along the extension of the snow slope. Assuming that the weak layer is almost collapsed, we simulate the efficiency of artificial voids in the slab to arrest fracture propagation, into the framework of Dynamical Fracture Mechanics. We put forward here a new philosophy for the use of artificial discontinuities (void) into the snowpack able to perform as crack arresters distributed along the snow slope area: the target is to split a large avalanche slab into smaller slabs, causing small avalanches to propagate with less catastrophic effects.

Nel presente lavoro vengono messi a confronto due metodi idonei per la verifica di giunzionisaldate per punti: il metodo del raggio di raccordo fittizio ed il metodo del gradiente implicito. Il primo imponeun raggio di raccordo diverso da zero al piede o alla radice del cordone di saldatura, il secondo, invece,considera più semplicemente la saldatura come un intaglio acuto. Il confronto è fatto sulla capacità di prevederel’affidabilità di giunti saldati per punti in acciaio aventi spessore variabile da 0.8 a 1.5 mm. Tali giunti sonosollecitati a taglio (giunti a semplice sovrapposizione) o a trazione (giunti a tazza). Infine, è discussa lacondizione di convergenza delle analisi numeriche necessarie, in entrambi i metodi, per il calcolo di una tensioneequivalente da porre a confronto direttamente con la di resistenza a fatica del materiale.

Lo studio della resistenza a fatica delle giunzioni saldate rappresenta un campo di prova molto interessante dal punto di vista scientifico, con ricadute pratiche altrettanto importanti. Si tratta in generale di fornire dei metodi di verifica e progetto deterministici, come è proprio dell’ingegneria, per revedere il comportamento meccanico di un materiale che, quando è sotto forma di saldatura, cambia le sue proprietà meccaniche e microstrutturali rispetto al materiale base, si dispone in una geometria locale del cordone estremamente variabile e non definibile a priori, è infine affetto da campi di tensione residua non proprio trascurabili. In questo lavoro, partendo da una breve panoramica sui principali indicatori e metodi che sono stati utilizzati nel corso degli anni per la stima dello stato di sollecitazione in un giunto saldato e della vita residua a fatica, si presenta l’approccio basato sulla misura della deformazione locale che è stato seguito da diversi autori nel corso degli anni, evidenziandone i vantaggi ma anche le limitazioni rilevate attraverso le numerose attività sperimentali direttamente eseguite.

Il presente lavoro propone l'analisi di propagazione di una frattura fragile longitudinale di un gasdotto interrato basata sulla valutazione dell'energy release rate. Viene illustrata l'implementazione della suddetta metodologia all'interno di un codice proprietario agli elementi [miti con formulazione esplicita, illustrando gli interventi eseguiti sul preesistente algoritmo di propagazione stazionaria, e proponendo i risultati ottenuti a seguito di simulazioni dinamiche svolte su tubi in acciaio X80 e su provini SENB in pieno spessore sottoposti a prove DW1T.

Si prende in esame il problema della caratterizzazione a fatica dei materiali mediante campioni di dati poco numerosi. Se ne prospetta una soluzione che impiega la metodologia bayesiana. Per la vasta famiglia degli acciai al carbonio, laminati a caldo o bonificati che siano, utilizzando dati di letteratura ed alcune consolidate correlazioni tra proprietà di fatica e resistenza statica, è definita una funzione di densità di probabilità a priori in grado di condensare gran parte delle informazioni disponibili. Queste ultime, in uno con quelle fornite dalla sperimentazione diretta, da esaminare mediante il teorema di Bayes, permettono di identificare con grande accuratezza la resistenza a fatica del particolare acciaio provato. L’efficacia del metodo proposto è verificata con una sperimentazione virtuale su un ipotetico acciaio condotta con il metodo Montecarlo.

The main objective of this research is the improvement of red soil by the addition of construction materials. This method could provide a scientific way to create a soil foundation with sufficient stability against geo-technical problems or instabilities. Laboratory tests have been conducted to characterize the behavior of red soil when amended with different types of gravels, soils and sand under compacted conditions with Optimum Moisture Content (OMC). Safe bearing capacity of all models have been calculated to identify the best and worst soil mixed model.

In this research work by changing different parameters of soil foundation like density, cohesion and foundation depth and width of square foundation at angle of friction of 0° to 50° with increment of 5°, numerically safe bearing capacity of soil foundation is calculated and it is attempted to assess economical dimension of foundation as well as understanding variation range of bearing capacity at different degree. It could help of civil engineering in design of foundations at any situation.

Nowadays most industrial realities undergo a strong push to improve cost-effectiveness, productivity and quality of manufactured products. In particular we focussed our attention in the area of design of plastic structural components, including both optimization of existing structures and design of new ones. In this case, but the following considerations have a more general value, these needs could be translated into demanding requirements of cost-effectiveness, weight reduction, reduced time-to-market with guarantee reliability. From a material perspective this means demanding mechanical performances, attention to safety margins and need of a better control of key design parameters. To obtain these results, we need to develop a new approach and effective tools in the design of plastic materials and components aimed at tailoring part behaviour to endurance and performance requirements. The target of the project is to find effective tools for predicting life endurance and damage evolution of plastic materials and components under mechanical/thermal service loading, in order to support the development of new material formulations and the design and optimization of structural components. In a particular way, we focussed our work in the characterization and modellization of materials durability and damage mechanisms. One of the main problems related to materials durability is due to fatigue failure. Fatigue process is a progressive weakening of a component with increasing time under load such that loads to be supported satisfactorily for short duration produce failure after long durations [1, 2, 3]. Fatigue failure should not be thought only as the breaking of the specimen into two separated pieces, but as a progressive material damage accumulation [2]. Material damage during fatigue loading manifests as progressive reduction of stiffness and as creep [5]. As standard fatigue testing are expensive in terms of money and time, it is essential to develop new approaches less time consuming and simpler to be implemented. One of the most important goals of the present work is the setting of an investigation method (Accelerated Fatigue Test) very simple to be implemented that is able to differentiate damage accumulation and durability performances of various material formulations in reduced time.

The reliability of printed circuit boards under dynamic loads is a key issue in the handheld electronic products industry. In order to predict the performance of the boards in their application lifetime, different tests were developed. The current industry-wide standard testing method is a board level drop test. In this test, the boards are dropped under defined conditions until a failure in the board is detected. The main failure driver is a flexural oscillation of the board due to the impact event. As this test method has a number of drawbacks, an alternative test method was evaluated in this study. A board level cyclic bend test was used and the results of both tests were compared. A very good correlation between the methods could be observed, supporting the suitability of the board level cyclic bend test for the determination of the drop test performance. The advantages of the alternative test method were shorter testing times, better adaptability and test simulations at lower computing time. In future analysis, test simulations will be used to generate Wöhler curves related to the local stresses.

Wafer bonding describes all technologies for joining two or more substrates directly or using certain intermediate layers. Current investigations are focused on so-called low temperature bonding as a special direct bonding technology. It is carried out without intermediate layers and at temperatures below 400 °C. In addition to the wafer materials, the toughness of the bonded interface also depends on the bonding process itself. It can vary for different pre-treatments. Furthermore, an increase of the annealing temperature leads to a higher toughness of the bonded interface. The fracture toughness is a suitable value to describe the damage behaviour of the bonded interface. Based on a micro-chevron-specimen, the fracture toughness can be determined either numerically or by combining numerical analysis with experimental measurement of the maximum force. The maximum force is measured during a micro-chevron-test using a Mode I loading. The minimum of the stress intensity coefficient can be determined by a FE-simulation only. One possibility to estimate the stress intensity coefficient is the compliance method. The compliance of the whole specimen increases with a growing crack. The stress intensity coefficient can be directly derived from the simulated compliance and the crack length itself. The paper is focused on the micro-chevron-test for direct bonded silicon-silicon wafers. Additional to the estimation of dimensionless stress intensity coefficient as a function of geometry, the influence of different pre-treatments and annealing temperatures on the measured maximum force are analysed and discussed.

Although the total hip replacement (THR) is a long-proven method of surgical treatment of diseases and disorders of the human hip, the surgery brings some risk of long-term instability of the joint. The aim of the research was to investigate the cemented bone-implant interface behavior. The main problems (cement layer degradation and bone-cement interface debonding) during physiological loading conditions have been investigated using a custom hip simulator. The experimental setup was designed to allow cyclic loading of the sample of pelvic bone with implanted cemented acetabular component. The hip contact force of required direction and magnitude was applied to the implant using a spherical femoral component head. The most unfavorable activity (downstairs walking) was simulated. The process of damage accumulation in the fixation was monitored by repeated scanning using high resolution micro Computed Tomography (µCT). Use of micro-focus source and large high-resolution flat panel detector allows investigation of structural changes and crack propagation both in the cement layer and the trabecular bone.

Orthotropic decks were applied to the long span bridges after World War II due to several advantages, such as light weight, high strength, few deck joints, durability, rapid construction, life-cycle economy. The fatigue problem of orthotropic decks was realized twenty years ago since fatigue failure was found. In the past two decades large amount of studies and investigations were carried out and fruitful achievements were obtained. It was found that most of the fatigue cracks were occurred at the welded connection details, such as rib-to-deck plate, rib-to-diaphragm, and rib-to-diaphragm-to-deck plate (RDDP). These connections are sensitive to fatigue cracking due to high concentrated stress and residual stress at welded connections. In this paper practical fatigue failure cases at the welded connections, ease to occur fatigue cracking, are presented, and analyzed through a numerical modeling of orthotropic deck via FE (finite element) software. Furthermore, the improvement technologies of fatigue are also discussed. The results of the analysis can be contributed to the evaluation of the fatigue design for the orthotropic deck.

In questo studio sono stati caratterizzati giunti Friction Stir Welding e Linear Friction Welding sucompositi a matrice in lega di alluminio e rinforzo particellare ceramico. Il processo FSW è stato applicato a duecompositi ottenuti con processo fusorio, quindi estrusi e trattati termicamente T6: AA6061/20%vol.Al2O3p eAA7005/10%vol.Al2O3p. I giunti LFW sono stati invece realizzati su un composito con matrice in lega dialluminio e rinforzo particellare in carburo di silicio, ottenuto mediante metallurgia delle polveri, quindi forgiatoe trattato termicamente T4: AA2124/25%vol.SiCp. Sono stati esaminati gli effetti della saldatura sullecaratteristiche microstrutturali dei giunti, avvalendosi di tecniche di microscopia ottica con analisi di immagine edi microscopia elettronica in scansione (SEM) con microsonda a dispersione di energia (EDS). Sono statequindi condotte prove di resilienza con pendolo strumentato Charpy. Lo studio dei meccanismi didanneggiamento è stato effettuato mediante analisi al SEM delle superfici di frattura. Entrambi i processi disaldatura hanno portato a giunti sostanzialmente esenti da difetti. La microstruttura dei cordoni è risultatadipendente sia dalle caratteristiche microstrutturali iniziali dei compositi considerati, sia dalla tipologia diprocesso di saldatura. Nel caso dei compositi AA6061/20%Al2O3p e AA7005/10%Al2O3p saldati FSW si èosservato un sostanziale incremento di resilienza, rispetto al materiale base, in conseguenza dell’affinamento deigrani della matrice, della riduzione della dimensione media delle particelle di rinforzo e della loro spigolosità,indotte dal processo di saldatura. Il composito AA2124/25%SiCp saldato LFW ha presentato valori di resilienzaconfrontabili con quelli del materiale base, in conseguenza, soprattutto, dei limitati effetti della saldatura sudimensione e distribuzione delle particelle di rinforzo.

Microstructure influence on fatigue crack propagation resistance in five different ductile cast irons(DCI) was investigated. Four ferrite/pearlite volume fractions were considered, performing fatigue crackpropagation tests according to ASTM E647 standard (R equals to 0.1, 0.5 and 0.75, respectively). Results werecompared with an austempered DCI. Damaging micromechanisms were investigated according to the followingprocedures:- “traditional” Scanning Electron Microscope (SEM) fracture surfaces analysis;- SEM fracture surface analysis with 3D quantitative analysis;- SEM longitudinal crack profile analysis- Light Optical Microscope (LOM) transversal crack profile analysis;

In this paper, the hot tearing behaviour in Al-(4.8?6)%Cu sand mould castings was preliminary investigated by means of microstructural examination and image analysis. A dog-bone pattern was employed for the realisation of the castings and three Al-Cu alloys with different Cu and Si contents were used. The effects of the alloy composition and of different pouring temperatures on the hot tearing behaviour of the castings were evaluated. The quantity of the eutectic phase available during solidification is considered a very important parameter for the crack healing phenomenon, in fact the eutectic liquid flows into the hot tear areas and covers parts of the cracks. The hot tear paths and surfaces were observed by means of optical and scanning electron microscopes, which showed that the fracture surfaces were dominated by bridged grain boundaries and the presence of a liquid film, in particular at higher copper concentrations. Several samples were also drawn from the zones characterised by the maximum cross-section variation and the micrographs from the optical microscope were statistically analysed by means of commercially available image analysis software. The quantitative microstructural parameters of percentage, mean area and distribution of the eutectic phase were evaluated and correlated to the capacity of the eutectic liquid to heal open fractures caused by hot tearing for the examined alloys.

Duplex stainless steels are widely used in industry. This is due to their higher strength compared to austenitic steels and to their higher toughness than ferritic steels. They also have good weldability and high resistance to stress corrosion cracking. These steels are characterized by two-phase microstructures composed by almost the same level of ferrite and austenite. Duplex steel 2205 samples evaluated are: as received, cold rolled (33%) and heat-treated at 800°C for 10 hours. A metallographic etching with 10% oxalic acid has been carried out to highlight the phases morphology. Some photos have been taken by SEM microscope and submitted to image analysis. The analysis carried out is based on the determination of co-occurrence matrix and on the following interpretation of appropriate indicators. Through these indicators is possible to estimate the features of images objectively.

Le giunzioni incollate guadagnano sempre più mercato, nel campo delle costruzioni in genere, dove è necessario un alleggerimento delle strutture. Nel caso di geometrie di giunto semplici il dimensionamento avviene attraverso relazioni analitiche che restituiscono il valore massimo delle tensioni, il quale deve essere inferiore al limite di utilizzo dell’adesivo stesso. Quando le geometrie sono complesse l’approccio analitico diventa impraticabile, di conseguenza si provvede a verificare la correttezza della soluzione mediante analisi agli elementi finiti (EF). L’introduzione del modello di zona coesiva nell'analisi EF permette di simulare il danneggiamento ed il cedimento del giunto in condizioni quasi-statiche e impulsive. In questo articolo si vuole implementare il modello per la simulazione della propagazione a fatica di difetti, utilizzando il software agli elementi finiti ABAQUS assieme a subroutine esterne interagenti con il modello EF stesso. Un punto focale dell'implementazione sarà il calcolo automatico del tasso di rilascio di energia G in modo indipendente dalla geometria del difetto stesso. I parametri del modello ricavati da prove di tenacità a frattura e propagazione di difetti a fatica in modo I, saranno utilizzati come riferimento per la convalida dell'implementazione.

La simulazione numerica della propagazione di una frattura in MODO I, viaggiante ad elevatavelocità in un acciaio a comportamento duttile è realizzata attraverso un modello coesivo che governa ladistribuzione delle forze di rilascio nodale. Come noto, la ricerca di un valore di tensione all’apice non ha alcunsenso nel caso elastico; infatti, la tensione può essere valutata solo mediante fattori di campo. Nel caso elasto-plastico, incrudimento e softening di origine geometrica o legato al progressivo danneggiamento influisconodecisamente sull’andamento esponenziale del campo tensionale. È possibile comunque individuare un valore diriferimento, di entità finita, mediante estrapolazione delle tensioni elasto-plastiche nella zona di inizio softeningdella frattura. Tale grandezza può essere presa come fattore di riferimento per il calcolo delle forze di rilasciocoesive e quindi dell’energia dissipata. Nel lavoro viene discusso come determinare, dal campo di tensioneelasto-plastico locale, il valore che governa la zona coesiva al variare del T-stress.

In base all’esperienza maturata in anni di sperimentazione sull’analisi delle caratteristichemeccaniche dei materiali mediante indagine termografica, nel presente lavoro è proposta una procedura per ilcontrollo di qualità di componenti meccanici in linea di produzione, che è già stata argomento di brevetto.Lo sviluppo di questo lavoro si colloca nell’ambito del progetto FIRB “Sistemi di produzione intelligenti,flessibili e riconfigurabili”. L’attività svolta dal DIIM riguarda il controllo avanzato dell’affidabilità dicomponenti meccanici per l’industria automobilistica. Viene proposta, quindi, la realizzazione di una cella dicontrollo in linea di produzione capace di valutare la presenza di eventuali componenti difettosi attraversol’analisi termica degli stessi, sollecitati secondo un modello predefinito.L’attività, svolta in questa prima fase in laboratorio, è facilmente trasferibile in linea di produzione,considerando la possibilità di realizzare celle di prova in ambiente controllato, con condizioni praticamenteidentiche a quelle di laboratorio, eliminando gli effetti di disturbo che possono influenzare la rispostadell’indagine termografica in ambiente non strutturato.

Two parallel comparative ‘Conventional Method and Computer Simulation using ANSYS software’for prediction of crack growth and its behavior in optical fiber are studied and presented in this work.Corresponding finite element analysis was performed to determine the evolution of stress and strain states. Themethod is developed and combined with the modified J-integral theory to deal with this problem. The effects ofcrack length, temperature and mechanical forces are investigated by Finite Element Method in the crackedbody. The conditions where the Mode I stress intensity factor motivate fracture occurrence is investigated andvariations of the different cases are discussed. The most deleterious situation is found to be that wherein theentire model reaches rupture at some stage. The accuracy of the method is investigated through comparison ofnumerical results with computerized simulation using commercial ANSYS software.

Dealing with composites in polymeric matrix, the pultruded ones are among the more suitable for large production rates and volumes. For this reason, their use is increasing also in structural applications in civil and mechanical engineering. However, their use is still limited by the partial knowledge of their fatigue behaviour; in many applications it is, indeed, required a duration of many millions of cycles, while most of the data that can be found in literature refer to a maximum number of cycles equal to 3 millions. In this paper a pultruded composite used for manufacturing structural beams is considered and its mechanical behaviour characterized by means of static and high-cycle fatigue tests. The results allowed to determine the S-N curve of the material and to assess the existence of a fatigue limit. Observations at the scanning electronic microscope (SEM) allowed to evaluate the damage mechanisms involved in the static and fatigue failure of the material.

This paper is concerned with the fracture of composite materials containing stress concentrationfeatures such as notches and holes. In particular, it addresses the question of the use of the Theory of CriticalDistances (TCD) – a method which is widely used for predicting notch effects in fatigue and fracture. The TCDmakes use of a length constant, L, known as the critical distance, which is normally assumed to be a materialproperty. However, many workers in the field of composite materials have suggested that the critical distance isnot a constant, but rather is a function of notch size. I examined the evidence for this assertion, and concludedthat it arises for four different reasons, two of which (process zone size and constraint) are real material effectswhilst the other two (choice of test specimen and estimation of the stress field) arise due to errors in making theassessments. From a practical point of view, the assumption of a constant value for L leads to only small errors,so it is recommended for engineering design purposes.

I controlli non distruttivi basati sull’impiego di ultrasuoni sono ampiamente usati per la loro efficacia e affidabilità nel rilevamento di difetti. La generazione di onde ultrasonore e la propagazione in strutture di forma non regolare sono difficili da analizzare, soprattutto se la sorgente impiegata è un laser. Le tecniche numeriche per la simulazione del fenomeno reperibili in letteratura mostrano limiti di applicabilità per frequenze nel campo dei MHz e lunghezze d’onda molto corte. In questo lavoro presentiamo un metodo numerico in grado di risolvere accuratamente ed efficientemente problemi di generazione di onde ultrasonore tramite laser, con frequenze nel range dei MHz, e di propagazione in corpi relativamente estesi. La ricezione viene simulata con la propagazione degli ultrasuoni in aria, al fine di poter ottimizzare la configurazione completa per controlli non distruttivi con ultrasuoni senza contatto. Diverse configurazioni di ispezione sono state prima simulate tramite l’analisi numerica e poi riprodotte sperimentalmente per confrontare i risultati.

In questo lavoro viene applicato il metodo della tensione di picco per l’analisi della resistenza a fatica di giunti saldati con cordone d’angolo limitatamente al caso di rottura al piede del cordone di saldatura. Il metodo è un’applicazione ingegneristica dell’approccio locale basato sul fattore di intensificazione delle tensioni per intagli (Notch-Stress Intensity Factor, N-SIF) di modo I, che assimila il profilo del piede del cordone di saldatura ad un intaglio a V con raggio di raccordo pari a zero. Inoltre si basa sull’utilizzo della tensione di picco singolare calcolata al piede del cordone mediante un’analisi agli elementi finiti lineare elastica con elementi aventi una prefissata dimensione, assunta pari a 1 mm in questo lavoro. La relativa semplicità di utilizzo e la robustezza del metodo lo rendono adatto all’applicazione in ambito industriale.

Il lavoro riporta delle soluzioni analitiche in forma chiusa per le distribuzioni di tensione generate da intagli circonferenziali in componenti assialsimmetrici soggetti a torsione, in condizioni lineari elastiche ed elastoplastiche. Il problema teorico in condizioni lineari elastiche è stato impostato e risolto utilizzando la teoria dei potenziali nel dominio complesso e una serie di opportuni sistemi di riferimento in coordinate curvilinee, evitando l’uso di mappature conformi. Le soluzioni proposte hanno un ampio range di applicabilità, in termini di dimensioni e forma dell’intaglio e di diametro dell’albero. Il problema elastoplastico è stato invece risolto utilizzando la tecnica delle trasformazioni odografiche, al fine di rendere lineari le equazioni nonlineari fondamentali del problema. Il contributo rappresenta la sintesi di una serie di lavori più ampi a cura degli stessi autori.

Un’accurata osservazione della geometria tridimensionale di cricche e difetti è necessaria per lostudio dei meccanismi alla base del processo di danneggiamento. I metodi convenzionali utilizzati a questoscopo sono distruttivi o non possiedono una sufficiente risoluzione. Le tecniche di imaging che utilizzano laluce di sincrotrone, ed in particolare la microtomografia (micro-CT) a raggi X, invece, uniscono i vantaggi di unatecnica non distruttiva ad un’elevata risoluzione spaziale e risultano quindi particolarmente interessanti. Unlimite all’applicazione di questa tecnica è costituito dalla propensione della cricca a richiudersi una volta rimossoil carico che ha provocato il danneggiamento, superabile attraverso l’impiego di un dispositivo in grado diesercitare un carico di trazione durante l’acquisizione dei dati. Facendo riferimento al set-up sperimentale dellalinea SYRMEP di Elettra, il sincrotrone di Trieste, e tralasciando per il momento i vincoli legati a pesi eingombri, è possibile pensare di inserire tra camera di ionizzazione e CCD una macchina per prove di trazionemono-colonna commerciale, in grado di mantenere aperto il difetto per tutta la durata della tomografia. Inquesto lavoro viene valutato l’impatto di questo vincolo sulla qualità finale delle ricostruzioni.

Fiber Reinforced Plastic (FRP) can be used for strengthening concrete or masonry constructions.One of the main problem in the use of FRP is the possible detachment of the reinforcement from the supportmaterial. This paper deals with the modeling of the FRP-concrete or masonry damage interface, accounting forthe coupling occurring between the degradation of the cohesive material and the FRP detachment. To this end,a damage model is considered for the quasi-brittle material. In order to prevent strain localization and strongmesh sensitivity of the solution, an integral-type of nonlocal model based on the weighted spatial averaging of astrain-like quantity is developed. Regarding the interface, the damage is governed by the relative displacementoccurring at bond. A suitable interface model which accounts for the mode I, mode II and mixed mode ofdamage is developed. The coupling between the body damage and the interface damage is performedcomputing the body damage on the bond surface. Numerical examples are presented.

Non-singular terms in the series expansion of the elastic crack-tip stress fields, commonly referred to as the T-stress. The T-stress is as an additional stress field characterizing parameter to stress intensity factor (K) in the analysis of cracked bodies. T-stress is used as an important constraint parameter in the fracture analysis. In this investigation, three-dimensional finite element analyses have been conducted to compute the elastic T-stress considering a single edge notched tensile (SENT) specimen with varied thickness and a/W ratio. The results indicate that the T-stress depends on the specimen thickness and significantly varies along the crackfront from surface to centre of the specimen. The T-stress results obtained in the present analysis together with corresponding KI values can be used for analysis of constraint effects in a fracture specimen.

Although diffusional flow creep is often considered out of practical engineering applications, the need for a model capable to account for the resulting action of both diffusional and dislocation type creep is justified by the increasing demands of reliable creep design for very long lives (exceeding lOO.OOOh), high stress-low temperatures and high temperature-low stress regimes. In this paper, a creep model formulation, in which the change of the creep mechanism has been accounted for through an explicit dependence of the creep exponent n on stress and temperature, has been proposed. An application example of the proposed approach to high purity aluminum is given.

During biventricular pacemaker implantation stents can be applied for coronary sinus lead stabilization to prevent lead dislocations. A lot of issues have been raised in connection with the use of the stent. In some cases the implanted left ventricular lead must be explanted. It is crucial to avoid any injury to the heart when the electrode is removed. Another very important question concerns the type of injuries the electrode may cause during the removal process. An extraction model has been prepared using a special curve and a polymer tube. After the pacemaker leads were extracted, various microscopic examinations were executed. The findings may to make such intervention methods more successful, helping to better stabilize the electrode and to keep injuries during interventions to a minimum.

The Space Shuttle wing-leading edge consists of panels that are made of reinforced carbon-carbon. Coating spallation was observed near the slip-side region of the panels that experience extreme heating. To understand this phenomenon, a root-cause investigation was conducted. As part of that investigation, fracture mechanics analyses of the slip-side joggle regions of the hot panels were conducted. This paper presents an overview of the fracture mechanics analyses.

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This paper considers an important topic, and one that is often poorly understood or misinterpreted, but which is a determining factor in many aspects of the service performance of metals (and other materials). Engineering components and structures must, of necessity, provide a bridge between the macroscopic, homogeneous and generally continuum aspects of applied load and displacement, and the microscopic, heterogeneous and often non-continuum reality of material structure and behaviour. This bridge can take the form of a genuine interface between material and environment, e.g. at a surface, or can be a virtual one where the differing philosophies of design have to be merged. The interface has particular importance in circumstances where environmental influences have a key role in determining performance characteristics (e.g. creep, environmentally-assisted cracking, or corrosion), where performance is dominated by fatigue or fracture, where welding is used to join components, or where tribology plays a role. The paper focuses on the problems associated with cracking and uses case study examples drawn from engineering practice to illustrate the role of metallurgical factors in mechanical performance of materials.

Enrico Mattei, the President of the Italian oil conglomerate, ENI, was about to land in Milan Linate Airport on October 27, 1962 when his airplane crashed on the ground due to a then unexplained accident. The investigation, reopened more than 30 years later, implied complete re-examining of the theories on macroscopic and lattice deformations under high velocity waves emanating from a small charge explosion.Various macro- and micro-structural changes are induced by an explosion and by the resulting shear stresses in metals exposed to it. At the microstructural level multiple slip bands or mechanical twins, induced from the pressure wave caused by an explosion, can be observed. The occurrence of either ones depend on the type of metal, the pressure and the strain rate. The temperature wave may also cause surface alterations. Different situations regarding stainless steels, aluminium, copper and gold alloys are analysed.Calculations to evaluate which deformation mechanism is eligible for different FCC metals and alloys are reported. Results of field explosion experiments are incorporated into the evaluation of microstructural signs possibly induced on metal targets by an unknown explosive event.Revisited theories were applied to the Mattei forensic case, reaching the conclusion that the aircraft had fallen following an on board small charge explosion.

The numerical modeling and wave theory are used in tsunami mitigation analysis. It is assumed seaforest is simulating offshore structure submitted to wave loads. The sea forest acts simulate break waves inconservation of coastal territory and facility installed over there. The result reveal that mathematical modelingand numerical simulation can be used to understand tsunami ability in design and urban construction, theresearch indicates reduction of water deep by sea forest resulted in reducing geometry and all wave ability.

A brief description of surface nanosrystallization process via severe plastic deformation is presented. To come to the point different shot peening methods which have proved to be able to create nanocrystalline layers are demonstrated clarifying the actual state of the art. Then the influence of the process is reviewed on material behavior and a wide range of affected properties are investigated. On this basis some possible addresses for future research in this field are drawn and underlined.

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